1 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso

Introducción

La monitorización de un motor, tiene como finalidad la supervisión y control del

mismo, mediante displays o transfiriéndolas a un ordenador mediante una tarjeta de

adquisición de datos mostrándonos los parámetros a monitorizar, pudiendo éstos ser

verificados por parte de un operario. Además, estas medidas pueden ser también

empleadas para la automatización del motor en una unidad de control, obteniendo

mejor funcionamiento y rendimiento del mismo, así como la posibilidad de recibir

avisos mediante alarmas en caso de fallo o mal funcionamiento del motor, realizando

así un mejor mantenimiento del mismo. Estos parámetros pueden ser monitorizados

bien en el lugar del funcionamiento del motor (como en un buque), o bien en un banco

de pruebas en un taller o laboratorio.

Los parámetros monitorizados, son obtenidos por el sistema mediante unos sensores

dispuestos en el motor, los cuales convierten una determinada magnitud física como

temperatura, presión, caudal, etc. o química, como calidad del aire o gases de escape

en otra eléctrica que puede ser bien una tensión o una corriente, la cual debe ser

acondicionada para su transmisión a un ordenador mediante una tarjeta de

adquisición de datos.

↑Instalación del sistema de adquisición de datos en un banco de pruebas de un motor

2 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso

↑Diagrama de bloques de un sistema de adquisición de datos mediante tarjeta de adquisición de datos conectad a un PC.

Sensores y sistemas de medición

El sensor, sonda o transmisor, como se ha citado anteriormente convierte una

magnitud física como temperatura, presión, revoluciones del motor, etc., o química

que generalmente no son señales eléctricas, en otra magnitud eléctrica (tensión o

corriente) que tendrá que ser acondicionada para ser recibida por una tarjeta

adquisición de datos o DAQ para transmitirla a un ordenador, o un banco de pruebas

en donde se analizarán los diferentes parámetros del funcionamiento. O bien para ser

transmitida a una unidad de control, la cual analizará esta señal de entrada emitiendo

otra señal de salida para actuar sobre el órgano del motor que sea oportuno.

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En un banco de pruebas, se encuentran todos los sensores e instrumentos necesarios

para hacer diferentes mediciones de motor en un taller o laboratorio, que mediante

una conexión a un ordenador, nos permite obtener los diferentes parámetros de

funcionamiento del motor, como curvas de paz y potencia, presión media indicada,

consumo específico de combustible, rendimiento volumétrico, relación aire-

combustible, rendimiento mecánico, volumétrico, así como los diagramas p-V y p-t,

etc… a diferentes regímenes de giro o diferentes estados de carga. Además dispone

generalmente de displays que nos muestran determinados parámetros de

funcionamiento.

Banco de pruebas para motores

Sensor de temperatura del aceite

La lubricación del motor de combustión interna, se ve dificultada con las elevadas

temperaturas producidas durante el proceso de combustión y por las grandes variaciones

en las temperaturas experimentadas a lo largo del ciclo. A mayor abundancia de aceite,

las cargas producidas en los cojinetes se vuelven fluctuantes.

Debido a esto es de gran importancia monitorizar la temperatura del aceite ya que si ésta

es baja, éste no tendrá la fluidez necesaria y dificultará el movimiento entre las piezas

del motor, mientras que si la fluidez es elevada, el aceite pierde su capacidad lubricante

y disminuye la presión del sistema.

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Sensor de presión del aceite

Este sensor se sitúa generalmente en el filtro de aceite o en sus proximidades y

convierte la presión del aceite en una medida eléctrica proporcional a la misma.

Sensor de presión de aceite

Sensor de temperatura de la cabeza de los cilindros (CHT o cylinder head

temperature)

Las temperaturas elevadas en las cabezas de los cilindros pueden ser perjudiciales para

el motor, ya que las culatas o bien sus juntas podrían deteriorarse, así como los pistones

y otros elementos.

Temperaturas bajas en la cabeza del cilindro, también son nocivas para el motor, ya que

pueden producir depósitos en los vástagos de las válvulas de escape, lo que conlleva un

desgaste prematuro de estas válvulas.

↑Sensor CHT y disposición del mismo en el motor

Estos sensores generalmente se localizan en el interior de la cámara de combustión

fijados a la culata.

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Sensor de Temperatura de los gases de escape (EGT- Exhaust Gas Temperature)

Los gases de escape, son producto de la combustión de la mezcla aire-combustible

dentro del motor.

Es importante monitorizar y controlar la temperatura de los gases de escape, ya que

algunos de los problemas que se podrían presentar por un fallo como al funcionamiento

del motor, son por ejemplo la presencia de alta temperatura en este o que algunos de los

conductos del motor se obstruyeran por acumulación de productos de la combustión.

Este sensor se sitúa generalmente en el colector de escape.

Sensor de temperatura de agua de refrigeración o refrigerante del motor

Se localiza en el punto de mayor temperatura de la culata, generalmente próximo al

termostato o en un conducto de refrigerante de la culata.

La función de este sensor es enviar una señal de tipo eléctrico variable al ordenador

proporcional a la temperatura de este refrigerante. Generalmente se alimentan

directamente por el ordenador con una tensión de referencia y una tierra.

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Sensor de temperatura del aire de admisión (ACT)

Puede localizarse desde la salida del filtro de aire hasta cualquier otro punto en el

colector de admisión o bien en el interior del caudalímetro y su función es enviar una

señal proporcional a la temperatura del aire de admisión.

Caudalimetro del aire de admisión (MAF)

Se sitúa generalmente próximo al filtro de aire y envía una señal eléctrica variable

proporcional a la cantidad de aire admitido en el motor que tendrá que ser

acondicionada para adquirirla en la tarjeta de adquisición de datos.

↑Gama de caudalímetros del aire de admisión

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Caudalimetro de combustible

Mide la cantidad de combustible consumido en cada instante de funcionamiento del

motor, y envía una señal eléctrica variable proporcional al caudal de combustible

suministrado por la bomba de combustible.

Sensor de detonación (KS)

Este sensor, detecta las detonaciones producidas en el motor enviando una señal de

tensión a la unidad de control. Esta a su vez usa esta señal para controlar la

sincronización del motor.

En el interior del sensor de detonación hay un elemento piezoeléctrico el cual genera

una tensión cuando la presión o vibración se aplica a ellos. El elemento piezoeléctrico

en el sensor de detonación se sintoniza en la frecuencia de golpeteo del motor

Sensor de oxígeno o sonda Lambda

Se localiza en el escape y tiene como función enviar una señal eléctrica variable

proporcional a la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape, la cual define si

la mezcla aire-combustible es rica o pobre. Este sensor sirve para la automatización del

motor, por lo que va conectado a la unidad de control pudiendo con esta medida

enriquecer o empobrecer la mezcla.

Se fabrica de dióxido de zirconio, es capaz de generar tensiones dependiendo de la

cantidad de oxígeno presente en el área de medida. Cuando el contenido de oxígeno en

el tubo de escape en donde está localizado el sensor es elevado, la tensión generada será

baja, mientras que cuando el contenido de oxígeno es bajo, la tensión generada será

elevada, fluctuando generalmente entre 0,1 y 0,9 V.

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Sensor del ángulo de giro del cigüeñal (CKP- Crankshaft Position Sensor)

Se compone de un plato rotor unido al eje del cigüeñal con 360 ranuras, las cuales

representan 1° de giro del cigüeñal y aberturas cada 120° que representan el ángulo del

cigüeñal y de diodos LED que emiten luz y fotodiodos que la reciben, de este modo

durante el funcionamiento el plato rotor pasa a través del espacio existente entre el

diodo LED y el fotodiodo, cortando el haz de luz intermitentemente, lo que causa un

voltaje alterno.

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Sensor de presión de la cámara de combustión

Son sensores que piezoeléctricos, que miden en tiempo real en el interior de la cámara

de combustión, pudiendo obtener información sobre el desarrollo de la combustión. Su

empleo a largo plazo permite el control de la generación excesiva de hollín y óxidos de

nitrógeno, así como la detección inminente de algunos fallos del motor, como pérdida

de compresión por fallos en los aros, etc. También se emplea para la obtención de la

presión en cada instante en el interior de la cámara de combustión, así como para la

obtención de la presión media indicada

Freno hidráulico

Se emplean en los bancos de pruebas, para crear un par de freno al eje del motor,

generalmente se compone de un rotor y una carcasa llena de agua que sirve tanto de

elemento refrigerante como de frenante. El par de frenado generado, se varía mediante

señales de control enviadas a través de la tarjeta adquisición de datos. El control del

freno hidráulico, puede disponer también de una salida conectada a la tarjeta

adquisición de datos que muestra la posición del volante de freno.

Sensor del par motor

El par motor se mide bien con galgas extensiométricas o con sensores que funcionan

bajo este principio.

Una galga extensiométrica consiste en un cable muy fino formando una rejilla, lo cual

se sujeta a un respaldo muy fino que irá unido al eje del motor. La tensión sufrida en el

eje ante un esfuerzo, bien en funcionamiento o bien en un banco de pruebas mediante un

freno hidráulico, se verá reflejada en esta galga mediante un cambio de resistencia de la

misma debido a la deformación producida. Con el valor del esfuerzo producido en el eje

(debido a la carga del motor) y con el de esta deformación, puede obtenerse el par

motor.

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Galga extensiométrica

Instrumento para medir el par motor

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Bibliografía

Sistema de monitoreo para motores navales-Capetolo Emilio – Maximiliano Zapata

http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/bancomot.htm

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7372

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA-Facultad de ciencias mecánicas,

ingeniería automotriz

http://www.e-auto.com.mx

Tesis doctoral de ingeniería aeronáutica: “sistema de adquisición de datos para un motor

de combustión interna alternativo” (Juan Carlos Santiago Martínez)-Instituto

politécnico nacional de México